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中国科学家造出人工"细胞闸门"：首次设计成功电压门控离子通道

今日快讯 2025年10月21日 22:54 0 admin
中国科学家造出人工"细胞闸门"：首次设计成功电压门控离子通道

西湖大学研究团队在蛋白质设计领域取得历史性突破，成功从头设计出全球首个电压门控阴离子通道，并在活体动物中验证其生理功能。这项发表在《细胞》期刊的研究成果，标志着人类首次能够人工创造出具有动态响应能力的复杂膜蛋白，为未来开发新型神经调控药物开辟了崭新路径。

离子通道被誉为细胞的"安检闸机"，它们精确控制着钠、钾、氯等离子在细胞膜内外的流动，是神经传导、肌肉收缩等生理过程的关键环节。然而，从零开始设计这样复杂的蛋白质机器，一直是生物工程领域最具挑战性的难题之一。西湖大学生命科学学院卢培龙研究团队联合李波团队，历时六年攻关，终于在这一前沿领域实现了重大突破。

从静态设计跨越到动态响应

蛋白质从头设计是指不依赖任何天然蛋白质模板，完全基于物理化学原理人工设计新蛋白质的技术。虽然科学界此前已能设计出一些简单的静态膜蛋白，但设计具有动态响应能力的电压门控离子通道却面临三重技术挑战：通道必须稳固镶嵌在细胞膜中、具备精确的电压感应机制、能够选择性过滤特定离子。

卢培龙团队在2020年曾成功实现跨膜孔蛋白的从头设计，为此次突破奠定了重要基础。然而，从设计静态结构跨越到动态响应，技术难度呈指数级增长。研究团队成员周晨采用传统蛋白质设计算法与深度学习方法相结合的策略，从头生成了五聚体跨膜蛋白结构。

这一精巧设计呈现出独特的几何形态：俯视如五瓣紫荆花，为离子通道的形成提供了理想框架；正面呈"倒漏斗"型结构，为实现门控功能和离子的单向运输创造了必要的空间条件。更为关键的是，研究团队在通道特定位置引入了三层精氨酸残基，使其既能作为电压传感器，又能对不同离子进行选择性过滤。

人工"闸机"的精确调控机制

中国科学家造出人工"细胞闸门"：首次设计成功电压门控离子通道

西湖大学科研团队首次实现电压门控阴离子通道的精确从头设计。西湖大学供图

实验验证结果令人振奋。当电压达到40毫伏时，人工设计的离子通道开始显著激活，电流曲线急剧上升。更重要的是，随着电压的进一步增加，通道的开放概率呈现出典型的电压依赖性特征，完全符合天然电压门控离子通道的工作模式。

离子选择性测试进一步证实了设计的成功。该人工通道表现出明显的阴离子选择性，允许氯离子等阴离子自由通过，而完全阻断钠离子、钾离子等阳离子的流动。这种精确的离子筛选能力展示了从头设计在创造复杂蛋白质功能方面的强大潜力。

这一成就的意义远超技术层面的突破。它代表了蛋白质设计领域从设计简单静态结构向创造复杂动态功能的历史性跨越。天然离子通道是经过数亿年进化优化的精密分子机器，人工重现其功能一直是生物工程的"圣杯"目标。

活体验证开启应用前景

为了验证人工离子通道在生理环境中的实际功能，研究团队与西湖大学李波团队展开合作，将设计的通道蛋白植入小鼠大脑神经元。实验结果显示，表达人工通道的神经元放电频率出现显著降低，证明了人工设计的离子通道能够在复杂的生理条件下发挥预期的调控作用。

这项活体实验的成功具有重要的临床转化意义。许多神经系统疾病，如癫痫、抑郁症、帕金森病等，都与离子通道功能异常密切相关。传统药物治疗往往依赖于对天然离子通道的调节，但这种方式容易产生副作用，且调控精度有限。

人工设计的离子通道为神经调控提供了全新的工具箱。通过精确设计通道的电压敏感性、离子选择性和激活动力学等特性，科学家有望开发出更加精准、副作用更小的神经调控技术。这对于治疗难治性神经疾病具有重要意义。

蛋白质设计进入新时代

卢培龙表示："这项研究成果展示了蛋白质从头设计的巨大潜力，也意味着我们距离开发能够调控细胞和神经活动的人工设计离子通道蛋白药物更近了一步。"这一评价准确概括了该研究的重要价值。

从更广阔的科学视角来看，这项成果标志着合成生物学进入了一个新的发展阶段。过去几十年里，科学家主要专注于理解和改造天然生物系统。而现在，随着计算能力的提升和人工智能技术的发展，从头创造全新的生物功能正在成为可能。

这种技术进步的影响将是深远的。除了神经科学应用之外，人工设计的离子通道还可能在生物传感器、生物计算、细胞工程等多个领域发挥重要作用。例如，可以设计对特定化学信号敏感的离子通道，用于开发高灵敏度的生物传感器；或者设计具有逻辑运算功能的通道网络，为生物计算提供硬件基础。

值得注意的是，这项研究的成功离不开多学科的交叉融合。从结构生物学到计算生物学，从蛋白质工程到神经科学，不同领域的知识和技术在这里汇聚，共同推动了这一重大突破的实现。这也为未来的科学研究提供了重要启示：面对日益复杂的科学挑战，学科交叉和团队合作将变得越来越重要。

中国科学家在这一前沿领域取得的突破，不仅展示了中国在基础科学研究方面的实力，也为全球科学界在蛋白质设计和合成生物学领域的发展贡献了重要力量。这项研究成果发表在《细胞》这样的顶级期刊，进一步证明了其科学价值和国际影响力。

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